istanbul teknik üniversitesi fen bilimleri enstitüsü esnek üstyapı tasarım yöntemlerinden aashto ...

283 Pages·2006·2.77 MB·Turkish

İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ (cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1) FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
ESNEK ÜSTYAPI TASARIM YÖNTEMLERİNDEN AASHTO 2002
İLE AASHTO 1993 YÖNTEMİNİN KARŞILAŞTIRILMASI

YÜKSEK LİSANS TEZİ
İnş. Müh. Serdar AVCI

Anabilim Dalı : İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ

Programı : ULAŞTIRMA MÜHENDİSLİĞİ

HAZİRAN 2006
İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ (cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1) FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
ESNEK ÜSTYAPI TASARIM YÖNTEMLERİNDEN
AASHTO 2002 İLE AASHTO 1993 YÖNTEMİNİN
KARŞILAŞTIRILMASI
YÜKSEK LİSANS TEZİ
İnş. Müh. Serdar AVCI

(501031427)
Tezin Enstitüye Verildiği Tarih : 8 Mayıs 2006
Tezin Savunulduğu Tarih : 13 Haziran 2006

Tez Danışmanı : Yrd. Doç. Dr. Murat ERGÜN
Diğer Jüri Üyeleri : Prof. Dr. Güven ÖZTAŞ
Yrd.Doç.Dr. Halit ÖZEN

HAZİRAN 2006
ÖNSÖZ
Yapılan bu çalışmada sonsuz yardım ve desteğinden dolayı sayın
Yrd. Doç. Dr. Murat ERGÜN’e şükranlarımı sunarım. Ayrıca, tezin
hazırlanma sürecinde bana destek veren aileme de teşekkürü bir borç bilirim.

Haziran 2006 Serdar AVCI

ii
İÇİNDEKİLER

KISALTMALAR vı
TABLO LİSTESİ vıı
ŞEKİL LİSTESİ x
SEMBOL LİSTESİ xıı
ÖZET xvııı
SUMMARY xıx
1. GİRİŞ 1
2. ESNEK ÜSTYAPI TASARIM YÖNTEMLERİ 3
2.1. Ampirik yöntemler 3
2.2. Analitik yöntemler 3
2.3. Analitik - ampirik yöntemler 4
3. AASHTO 2002 TASARIM YÖNTEMİ 5
3.1. Tasarım Rehberinin Amacı 5
3.1.1. Tasarım rehberine ihtiyaç 6
3.1.2. Tasarım rehberinin felsefesi 8
3.1.3. Tasarım rehberin kapsamı ve içeriği 10
3.1.4. Hiyerarşik tasarım girdileri 13
3.1.5. Üst yapı performansı 14
3.1.6. Tasarım güvenilirliği 18
3.2. Tasarım Verileri 25
3.2.1. Taban zemini özellikleri 25
3.2.1.1. Tasarım için taban zemini özellikleri 25
3.2.1.2. Taban zeminlerinin laboratuvar testleri 30
3.2.1.3. Özel taban zemini koşullarının tanımlanması 35
3.2.1.4. Taban zeminini iyileştirme ve güçlendirme 40
3.2.2. Malzeme özellikleri 44
3.2.2.1. Dikkate alınan malzeme faktörleri 46
3.2.2.2. Malzeme kategorileri 47
3.2.3. Çevresel etkiler 85
3.2.3.1. Analitik - amprik tasarımda iklimin önemi 85
3.2.3.2. Tasarımda iklim etkilerinin ele alınması 86
3.2.3.3. EICM’ nin ana çıktıları 90
3.2.3.4. Termal ve nem durumlarını modellemek için gereken iklim ve
malzeme girdileri 91
iii
3.2.3.5. Ayar faktörü, F , ayarlamak için Mr 101
env
3.2.3.6. Üstyapı sistemi boyunca sıcaklığın belirlenmesi 113
3.2.4. Trafik 122
3.2.4.1. Hiyerarşik yaklaşım 123
3.2.4.2. Trafik yükü / hacmi veri kaynakları 126
3.2.4.3. Varsayımlar 129
3.2.4.4. Trafiğin özelliklerini belirlemede gereken girdiler 129
3.2.5. Banketler 152
3.2.5.1. Yapısal tasarım 153
3.3. Analiz 154
3.3.1. Esnek üstyapı tasarım sürcine genel bakış 155
3.3.2. Tasarım girdileri 156
3.3.2.1. Deneme tasarımı girdileri ve saha koşulları 156
3.3.3. Üstyapı tepki modelleri 158
3.3.4. Yığışımlı bozulma ve hasar birikimi 159
3.3.5. Bozulma tahmini 159
3.3.5.1. Aşağıdan yukarı yorulma yada timsah sırtı çatlağı 160
3.3.5.2. Yüzeyden aşağıya yorulma kırılması veya boyuna çatlak 161
3.3.5.3. Kalıcı deformasyon yada tekerlek izi 162
3.3.5.4. Termal çatlak 163
3.3.5.5. Kimyasal stabilizeli tabakalarda yorulma çatlağı 164
3.3.6. Geometrik düzgünlük (IRI) öngörüsü 164
3.3.7. Performans değerlendirmesi ve tasarım değişiklikleri 165
3.3.8. Tasarım güvenilirliği 165
3.3.9. Ömür döngüsü masrafları tahmini 166
3.3.10. Esnek üstyapı tasarım yöntemi 166
3.3.10.1. Deneme tasarımı parametreleri 167
3.3.11. Üstyapı tepki modelleri 171
3.3.11.1. Analiz modelleri 171
3.3.12. Performans öngörüsü 171
3.3.12.1. Kalıcı deformasyon 172
3.3.12.2. Yorulma çatlağı 187
3.3.12.3. Termal çatlama modeli 197
3.3.12.4. Pürüzsüzlük (geometrik düzgünlük) modelleri (IRI) 210
3.3.13. Yerel koşullara kalibrasyon 214
3.3.13.1. Yerel koşullara kalibrasyon ihtiyacı 215
3.3.13.2. Kalibrasyona yaklaşım 216
iv
4. AASHTO 1993 TASARIM YÖNTEMİ 219
4.1. Giriş 219
4.2. Esnek Üstyapının Tasarımı İçin Gerekli Veriler 221
4.2.1. Genel tasarım değişkenleri 221
4.2.1.1. Zaman kısıtları 222
4.2.1.2. Trafik 222
4.2.1.3. Güvenilirlik 226
4.2.1.4. Çevresel etkiler 228
4.2.2. Performans kriteri 230
4.2.3. Yapısal tasarım için malzeme özellikleri 231
4.2.3.1. Taban zemini elastisite modülü 231
4.2.3.2. Üstyapı tabakalarının tabaka katsayıları ve elastisite modülleri 232
4.2.4. Üstyapının yapısal özellikleri – drenaj 240
4.3. Gerekli Üstyapı Kalınlığının Belirlenmesi 240
5. AASHTO 2002 İLE AASHTO 1993 YÖNTEMİNİN
KARŞILAŞTIRILMASI 243
5.1. AASHTO 93 Yöntemi 243
5.2. AASHTO 2002 Yöntemi 245
6. SONUÇLAR VE ÖNERİLER 259
KAYNAKLAR 261
ÖZGEÇMİŞ 263

v
KISALTMALAR
AASHTO : American Association of State Highway and Transportation
Officials
AASHO : American Association of State Highway Officials
JTFP : Joint Task Force on Pavements
IRI : International Roughness Index
HMA : Hot mix asphalt
PCC : Portland cement concrete
EICM : The Enhanced Integrated Climate Model
PSR : Present Serviceability Rating
PSI : Pavement Serviceability Index
DCP : Dinamik Konik Penetrometre
LTPP : Long Term Pavement Performance
CBR : Kaliforniya Taşıma Oranı
PI : Plastisite İndeksi
MKBA : Maksimum Kuru Birim Ağırlığı
ONİ : Optimum Nem İçeriği
CMS : The Climatic-Materials-Structural
CRREL : Cold Regions Research and Engineering Laboratory
ID : Infiltration and Drainage
SWCC : Soil-Water Characteristic Curve
NCDC : National Climatic Data Center
JPCP : Jointed Plain Concrete Pavement
CRCP : Continuously Reinforced Concrete Pavement
RF : Reduction Factors
ESAL : Eşdeğer Dingil Yükü
FHWA : Federal Highway Administration
YOGT : Yıllık Ortalama Günlük Taşıt
YOGAT : Yıllık Ortalama Günlük Ağır Taşıt
WIM : Weigh-In-Motion
AVC : Automatic Vehicle Classification
DDF : Directional Distribution Factor
LDF : Lane Distribution Factor
AAF : Aylık Ayar Faktörü
ATTS : Ağır Taşıt Trafiği Sınıflandırması
SDF : Saat Başı Dağılım Faktörleri

vi
TABLO LİSTESİ
Sayfa No
Tablo 3.1. Güvenilirlik seviyeleri................................................................... 23
Tablo 3.2. Üstyapı malzemesi olarak zemin karakterlerinin özeti................. 28
Tablo 3.3. Tasarım için minimum laboratuvar test gereksinimleri................ 30
Tablo 3.4. Zeminlerin don hassasiyeti sınıflandırması................................... 39
Tablo 3.5. Asfalt dinamik modülü (E*) çeşitli hiyerarşik girdi seviyeleri..... 50
Tablo 3.6. Tavsiye edilen kod değerleri......................................................... 56
Tablo 3.7. Girdi seviyesi 1 için gerekli karakterizasyon testlerinin özeti...... 60
Tablo 3.8. Geleneksel bağlayıcı test verisi..................................................... 60
Tablo 3.9. Seviye 1 - E* saptaması sayısal optimizasyon için veriler............ 62
Tablo 3.10. Seviye 2’de dinamik modül denklemi girdi verisi........................ 64
Tablo 3.11. Gerekli olan seviye 2 bağlayıcı test verisinin özeti...................... 64
Tablo 3.12. Asfalt PG düzeyi üzerine kurulmuş tavsiye edilen RTFO A ve
VTS............................................................................................... 66
Tablo 3.13. Asfalt viskozite düzeyi üzerine kurulmuş tavsiye edilen
RTFOT A ve VTS......................................................................... 66
Tablo 3.14. asfalt penetrasyon düzeyi üzerine kurulmuş tavsiye edilen
RTFOT A ve VTS......................................................................... 67
Tablo 3.15. Yoğun-dereceli HMA için tipik poisson oranları.......................... 68
Tablo 3.16. Açık - tesviye edilmiş (open graded) tipik poisson oranları....... 68
Tablo 3.17. Açık - tesviye edilmiş (open graded) tipik poisson oranları......... 68
Tablo 3.18. EICM için gerekli olan asfalt betonu malzeme özellikleri .......... 72
Tablo 3.19. değişik hiyerarşik girdi seviyelerindeki pcc termal iletkenlik, ısı
kapasitesi ve yüzey soğurganlığının tahmini................................. 73
Tablo 3.20. Çimento, kireç ve kombine kireç, çimento, uçankül stabilizeli
malzemeler için minimum sıkıştırma güçleri................................ 74
Tablo 3.21. Kimyasal stabilizeli malzemelerin tipik esneklik (resilient)
modülü........................................................................................... 75
Tablo 3.22. Bozulmuş kimyasal stabilizeli malzemeler için esneklik
modülü........................................................................................... 75
Tablo 3.23. Kimyasal stabilizeli malzemeler için tipik bükülgen güç
değerleri......................................................................................... 76
Tablo 3.24. Kimyasal stabilizeli malzemeler için poisson oranı aralıkları................ 76
Tablo 3.25. EICM hesaplamaları için kimyasal stabilizeli malzemelerin
termal geçirgenlik ve ısı kapasitesi tahmini.................................. 77
Tablo 3.26. Granüler (unbound) ve taban malzemeleri için tipik esneklik
modülü değerleri............................................................................ 79
Tablo 3.27. Granüler (unbound) ve taban malzemeleri için tipik poisson
oranları........................................................................................... 80
Tablo 3.28. Granüler, taban ve anakaya malzemelerde dahili sürtünmenin
efektif açısı.................................................................................... 83

vii
Tablo 3.29. Yeni yeniden inşaat ve takviye tabakası anakaya katman
esneklik modülü............................................................................ 84
Tablo 3.30. Anakaya için poisson oranı.......................................................... 84
Tablo 3.31. Kuru termal iletkenlik, k , kuru ısı kapasitesi, Q........................... 100
Tablo 3.32. EICM hesaplamalarında granüler malzemeler için girdiler.......... 101
Tablo 3.33. İri taneli ve ince taneli malzemeler için a,b ve km değerleri........ 104
Tablo 3.34. İri taneli malzemeler için rf değerleri (P200 < % 50).................. 106
Tablo 3.35. İnce taneli malzemeler için RF değerleri (P200 > % 50).............. 107
Tablo 3.36. Quintile (beşte bir parça olarak) sıcaklık dağılımı...................... 120
Tablo 3.37. 3 seviye için gerekli girdi verileri.................................................. 126
Tablo 3.38. Üç hiyerarşik girdi seviyesi için gerekli trafik verisi.................... 127
Tablo 3.39. Trafik özelliklerini belirlemede AAF varsayılan değerleri........... 136
Tablo 3.40. Ağır taşıt trafiği sınıflandırması grup açıklaması ve buna bağlı
araç sınıfı dağılımı varsayılan değerleri (yüzdelikler).................. 139
Tablo 3.41. Karayolu fonksiyonel sınıflandırması hakkında uygun atts
grupları.......................................................................................... 140
Tablo 3.42. LTPP trafik verisine dayanan saat başı ağır taşıt trafiği
dağılımı.......................................................................................... 140
Tablo 3.43. Zaman içinde ağır taşıt trafiğini tahmin etmede kullanılan
fonksiyonu..................................................................................... 141
Tablo 3.44. Her ağır taşıt sınıfı için tek-aks yük dağılımı............................... 143
Tablo 3.45. Her ağır taşıt sınıfı için ikili-aks yükü dağılımı........................... 144
Tablo 3.46. Her ağır taşıt sınıfına düşen tekli, ikili, üçlü, dörtlü aksların
ortalama sayısı............................................................................... 146
Tablo 3.47. Direksiyon ve sürme aksı arasındaki boşluk ile akslar arasındaki
dağılım........................................................................................... 147
Tablo 3.48. Normalleştirilmiş aks yükü dağılımını tahmin etmek için
gereken minimum örnekleme büyüklüğü (her yılın günlerinin
sayısı) - WIM verisi....................................................................... 150
Tablo 3.49. Normalleştirilmiş ağır taşıt trafiği dağılımını tahmin etmek için
minimum örnekleme büyüklüğü (her mevsim için günlerin
sayısı) – AVC verisi...................................................................... 150
Tablo 3.50. Her yıl ve günün toplam araçlarını tahmin etmek için (her yılın
günlerinin sayısı) minimum örnekleme büyüklüğü – AVC yada
araç sayımı verisi........................................................................... 151
Tablo 3.51. Termal kırılma modeli için ulusal kalibrasyon parametreleri....... 199
Tablo 3.52. LTPP sahaları ile termal çatlak modelinin onaylanması için
istatistiksel özet β = 1.0................................................................. 209
Tablo 3.53. LTPP sahaları ile termal çatlak modelinin onaylanması için
istatistiksel özet β = 3.0................................................................. 209
Tablo 3.54. LTPP sahaları ile termal çatlak modelinin onaylanması için
istatistiksel özet β = 5.0................................................................. 209
Tablo 4.1. Tavsiye edilen analiz periyodları.................................................. 222
Tablo 4.2. Taşıt eşdeğerlik faktörleri.............................................................. 223
Tablo 4.3. Şerit sayısına göre tavsiye edilen şerit dağıtma faktörleri............. 224
Tablo 4.4. Tek dingil ve Pt = 2.0 İçin dingil yükü eşdeğerlik faktörleri........ 225
Tablo 4.5. Tek dingil ve Pt = 2.5 için dingil yükü eşdeğerlik faktörleri........ 226
Tablo 4.6. Yol sınıfları için önerilen güvenilirlik seviyesi oranları............... 227
Tablo 4.7. Güvenilirlik oranlarına bağlı olarak verilen standart sapma
değerleri......................................................................................... 228

viii
Tablo 4.8. Başlangıç ve son servis yeteneği indisleri..................................... 231
Tablo 4.9. Temel ve alt temel malzemeleri için tipik k1 ve k2 değerleri....... 233
Tablo 4.10. gerilme durumu-elastisite modülü ilişkisi................................... 233
Tablo 4.11. Temel tabakası için taban zemini elastisite modülü (MR) ile
asfalt betonu kalınlığı değerlerine bağlı olarak kullanılması
gereken " θ " değerleri................................................................... 233
Tablo 4.12. Alt temel için " θ " değerleri.......................................................... 236
Tablo 4.13. Gerilme durumu " θ " ile elastisite modülü " ESB " ilişkisi.......... 236
Tablo 4.14. Üstyapı tasarımı için drenaj kalitesi düzeyleri.............................. 240
Tablo 4.15. Esnek üstyapılarda tasfiye edilmemiş temel ve alt temel
malzemeleri için önerilen "m" değerleri........................................ 240
Tablo 4.16. Uygulamada kullanılabilecek min. asfalt kaplama ve temel
kalınlıkları..................................................................................... 241
Tablo 5.1. Tabaka katsayıları.......................................................................... 244
Tablo 5.2. Ort aks aralıkları............................................................................ 247
Tablo 5.3. YOGAT – tabaka kalınlıkları (cm)............................................... 256

ix